Спосіб обробки радіоактивного графіту

1 Спосіб обробки радіоактивного графіту, який включає операції і) введення радіоактивного графіту при температурі 250-900°С у реакцію з перегрітою парою або з газами, що містять пари води, для утворення гідрогену і монооксиду карбону і м) введення гідрогену і монооксиду карбону, одержаних у операції і), у реакцію для утворення води і дюксиду карбону 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що температура у операції (і) лежить у межах 600-700°С 3 Спосіб за п 1 або п 2, який відрізняється тим, що операцію (і) виконують усередині осердя виведеного з експлуатації ядерного реактора 4 Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що його виконують ззовні виведеного з експлуатації ядерного реактора з вико ристанням уламків або частинок графіту, видалених з осердя реактора 5 Спосіб за п 4, який відрізняється тим, що використовують уламки або частинки графіту, видалені з осердя реактора для утворення шару реактора із стаціонарним або псевдозрідженим шаром 6 Спосіб за п 5, який відрізняється тим, що уламки або частинки графіту мають довжину менше 12 см, бажано, менше 4 см у найдовшому вимірі 7 Спосіб за п 5, який відрізняється тим, що реактор є реактором з псевдозрідженим шаром, у якому псевдозрідження шару виконують з використанням пари або суміші пари і інертного газу 8 Спосіб за п 5, який відрізняється тим, що операції (і) І (ІІ) способу виконують у одному реакторі 9 Спосіб за п 7, який відрізняється тим, що псевдозріджений шар містить інертні тверді компоненти 10 Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що до пари або газів, що містять пари води, додають оксиген для генерування енергії екзотермічної реакції для процесу 11 Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що дюксид карбону, одержаний в операції (і), концентрують і перетворюють у твердий карбонат 12 Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що дюксид карбону перетворюють у твердий карбонат кальцію або у твердий карбонат магнію Графіт, який складається, головним чином, з елемента карбону, використовують як уповільнювач у ядерних реакторах різних типів, наприклад, у англійських реакторах MAGNOX і AGR з газовим охолодженням і російських RBMK Під час будування реактора уповільнювач звичайно укладають у вигляді зблокованих цеглин Наприкінці експлуатації реактора графітовий уповільнювач масою звичайно близько 2000 т стає радіоактивним відходом, який вимагає кінцевої обробки Графіт є відносно стабільною формою карбону, що у багатьох відношеннях робить його придатним для безпосереднього видалення без обробки Однак, вна слідок нейтронного опромінювання у графіті накопичується енергія Вігнера Потенціал для вивільнення цієї енергії має бути взятий до уваги при будь-якому способі видалення необробленого графіту 3 іншого боку, обробка графіту перед видаленням може сприяти безпечному вивільненню накопиченої вігнерівської енергії Графіт містить значні КІЛЬКОСТІ радіонуклідів, що утворились у індукованих нейтронами реакціях, як з графіту, так і з незначної КІЛЬКОСТІ забруднюючих ДОМІШКІВ у ньому Ці радіоізотопи доцільно розділити на дві категорії Короткоіснуючі ізотопи (наприклад, ко-бальт-60) ускладнюють обробку (21)2002042997 ( 2 2 ) 0 6 10 2 0 0 0 ( 2 4 ) 1 5 07 2003 О 00 00 ю 57884 графіту безпосередньо після закриття реактора і розкладаються через кілька десятків років Довгоіснуючі ізотопи (головним чином, карбон-14) потребуть уваги, оскільки існує можливість їх вивільнення у біосферу Обробка графіту дає можливість ВІДДІЛИТИ більшу частину маси графіту (карбону) від короткоіснуючих ІЗОТОПІВ Це, у свою чергу, дає можливість розпорядитись графітовими відходами невдовзі після закриття реактора Внаслідок цих особливостей графіту і його маси, найбільш поширеною сучасною процедурою виведення з експлуатації реакторів з графітовим уповільнювачем є захищене зберігання осердя реактора на МІСЦІ протягом десятків років після закриття реактора Протягом цього періоду короткоїснуючі радіоізотопи у достатній мірі розкладаються і це робить можливим ручний демонтаж графітового уповільнювача БІЛЬШІСТЬ планів у Англії передбачають видалення графіту у його існуючій ХІМІЧНІЙ формі з належним пакуванням для відвернення його вивільнення протягом довгого періоду розкладу карбону-14 Захищене зберігання має певні негативні наслідки, оскільки пов'язане з тривалими фінансовими витратами і з наявністю візуально дуже помітної конструкції, яка не має продуктивного призначення, і вимагає постійного догляду, і покладає задачу остаточного очищення на майбутні покоління (які не одержать ніякої користі від цієї споруди) Якщо таке зберігання має бути замінене менш тривалими операціями, суттєво важливою стає обробка графіту у безпечний і радіологічно прийнятний спосіб Нами був розроблений процес, який є зручним засобом перетворення графіту у форму, що забезпечує вивільнення будь-якої вігнерівської енергії і може бути використана для газифікації карбону графіту і утримання газифікованого карбону у формі, придатній для подальшої обробки Цей процес може бути також використаний для ефективного відділення карбону графіту від інших радіоактивних елементів, присутніх в уповільнювачі, для полегшення робіт і уможливлення вивільнення карбонової маси у атмосферу Цей процес може бути використаний для зручної обробки окремих блоків або частинок графіту, видаленого з осердя реактора, а також для повільного і контрольованого введення графіту уповільнювача у реакцію m-situ без присутності людини в осерді реактора ВІДПОВІДНО, винахід дає спосіб обробки радіактивного графіту, який включає операції і) введення радіоактивного графіту при температурі 250-900°С у реакцію з перегрітою парою або з газами, що містять водяну пару, для утворення гідрогену і моноксиду карбону і м) введення гідрогену і моноксиду карбону з операції і) В реакцію для утворення води і дюксиду карбону Фігура містить схему реалізації способу обробки радіоактивного графіту згідно з винаходом Об'єктом винаходу є процес обробки графітового матеріалу, що перед тим використовувався як уповільнювач в осерді теплового ядерного реактора і є більше не потрібним для такого застосування Цей спосіб є придатним для обробки інших графітових матеріалів (рукава і кріплення палив них елементів тощо), опромінених потоком нейтронів осердя реактора Операція (і) передбачає проведення реакції перегрітої пари або газів, що містять водяну пару, з графітом при температурі від 250 до 900°С, бажано, від 600 до 700°С, для утворення гідрогену і моноксиду карбону Процеси такого типу звичайно називають "паровим риформінгом" Реакцію (і) можна проводити з доданням оксигену до пари або газів, що містять водяну пару, для забезпечення екзотермічної реакції, як джерела енергії для процесу Додання оксигену уможливлює контроль температури реакції парового риформінгу Гази з операції (і) далі піддаються окисненню операцією (м) з утворенням води і дюксиду карбону Під час цих операцій гази утримуються у замкненому об'ємі Для подальшого видалення утворених води і дюксиду карбону можуть бути використані такі процедури Контрольоване вивільнення дюксиду карбону в атмосферу після обробки, необхідної для мінімізації радіоактивних компонентів Стискання і зрідження дюксиду карбону для тимчасового зберігання, обробки, транспортування або видалення Конденсація пари для одержання води для обробки, видалення або вивільнення, і/або Подальша хімічна обробка дюксиду карбону для створення твердих ВІДХОДІВ, придатних для видалення, наприклад, карбонату кальцію Процес згідно з винаходом можна проводити m-situ усередині осердя зупиненого ядерного реактора або проводити обробку уламків або частинок графіту, видалених з реактора, на зовнішньому обладнанні Вторинні радіоактивні відходи процесу винаходу або подальшої обробки дюксиду карбону, утвореного у процесі перед виведенням, можуть бути оброблені з застосуванням звичайних способів і нормальних процедур, прийнятих на ядерних установках Обробка графіту m-situ вимагає створення для графіту осердя реактора умов, що забезпечують газифікацію графіту Для проведення ВІДПОВІДНИХ реакцій можуть бути застосованя різні способи, розглянуті далі Згідно З першим способом, дюксид карбону, нітроген або інший інертний газ може бути рециркульований через реактор з використанням звичайного місцевого обладнання з доданням (якщо потрібно) невеликих контрольованих кількостей пари і/або оксигену 3 контуру постійно відводять побічний потік для видалення моноксиду карбону, гідрогену і дюксиду карбону Щоб запобігти потенційному вибуху гідрогену, у контур бажано включити каталітичний конвертер для перетворення гідрогену у воду Такий варіант вимагає введення у цей конвертер невеликої КІЛЬКОСТІ оксигену При доданні невеликих кількостей оксигену температуру контура реактора підтримують на рівні вище 250°С, щоб забезпечити своєчасне протікання реакцій при ВМІСТІ оксигену у рециркуляційних газах менше 5% Обмеження рівня оксигену є бажаним для запобігання потенційно вибухових реакцій При доданні пари температуру контура реак 57884 тора підтримують на рівні вище 350°С, щоб забезпечити належну швидкість реакцій риформінгу Згідно З другим способом, гази вводять в реактор і виводять з нього без використання іншого місцевого обладнання Цей спосіб передбачає ІЗОЛЯЦІЮ реактора від решти системи Для введення газу в реактор і виведення газоподібних продуктів реакцій може бути використаний ЗОВНІШНІЙ контур рециркуляції газу У певних зонах реактора можна підтримувати високу температуру інжекцією перегрітих газів з температурою 400 - 900°С або генеруванням необхідного тепла у реакторі Таке генерування тепла можна забезпечити встановленням у одному або кількох паливних каналах трубчастих підігрівників внутрішнього згоряння або електричних Місцева реакція за цим способом забезпечує бажане видалення графіту з обраних зон реактора згідно з запланованою ПОСЛІДОВНІСТЮ Це забезпечує високий рівень безпеки, оскільки дозволяє структурувати видалення граграфіту і цим уникнути колапсу послабленої уповільнювальної конструкції на подальших стадіях видалення Реалізація локального видалення графіту у цей спосіб додатково полегшується зниженням теплопровідності відпрацьованих уповільнювачів, викликаним нейтронним опромінюванням За оцінками у такий спосіб можна видалити більше 75% графіту Гази, що вводяться, можуть складатись з пари і інертного газу і, якщо потрібно, оксигену Остаточне видалення залишків графіту можна виконати за допомогою, наприклад, попереднього описаного способу Коли спосіб згідно з винаходом застосовується до уламків або частинок графіту, видаленого з осердя реактора, він може бути реалізований як безперервний, напівбезперервний або порціями Процес може бути проведений у стаціонарному шарі, утвореному частинками або уламками графіту, але більш бажано проводити його у реакторі з псевдозрідженим шаром Бажано створювати псевдозрідження у шарі паровим реагентом, але для цього можна використовувати також інертний газ, наприклад, нітроген або дюксид карбону, з введенням належної КІЛЬКОСТІ пари і/або оксигену для сприяння реакції Інертна складова псевдозрідженого шару використовується для стабілізації температури у МІСЦІ введення пари і/або оксигену у резервуар Реакція парового риформінгу проходить згідно з рівнянням С+Н 2 О^СО+Н 2 На другій стадії процесу згідно з винаходом моноксид карбону і гідроген окиснюються до дюксиду карбону і води Цю реакцію звичайно проводять, використовуючи для окиснення газ оксиген Цю реакцію можно проводити у тому ж резервуарі, де проходить паровий риформінг, або у іншому Наприклад, якщо паровий риформінг проходить у реакторі з псевдозрідженим шаром, оксиген можна вводити у верхню частину цього реактора і тоді обидві стадії процесу проходитимуть в одній реакторній камері Перевагою способу винаходу порівняно з спалюванням радіоактивного графіту є можливість створення належним чином контрольованих умов його реалізації Отже, знижується або навіть усувається ризик потрапляння у ВІДХІДНИЙ газ небезпечних або радіоактивних матеріалів Іншою значною перевагою є низька КІЛЬКІСТЬ ВІДХІДНИХ газів, що спрощує робочі операції і уможливлює досягнення, по суті, нульового відходу газів Крім того, цей спосіб забезпечує контрольоване вивільнення вігнерівської енергії, накопиченої у радіоактивному графіті Фіг МІСТИТЬ загальну схему засобів і реалізації процесу, передбаченого способом згідно з винаходом Радіоактивний графіт дистанційно видаляється з осердя ядерного реактора водяним струмом або механічними різаками Уламки графіту і вода спрямовуються у вологий ' подрібнювач 1, де графіт подрібнюється до часток розміром менше 1 см, після чого у резервуарі 2 змішується з водою і шлам інжекційною помпою 3 подається безпосередньо у риформер 4 з псевдозрідженим шаром без будь-якої додаткової обробки або маніпулювання Інший варіант передбачає подрібнення графіту до часток розміром менше 12,0см, бажано, менше 4,0см для прямого введення у риформер 4 механічним гвинтовим конвеєром 5 Риформер 4 з псевдозрідженим шаром слугує для випаровування всіє води і інших рідких ВІДХОДІВ з графітового шламу і піролізу будь-яких органічних компонентів через деструктивну дистиляцію (піроліз) Енергія, необхідна для випаровування води і реалізації процесу ендотермічного риформінгу, забезпечується створенням у псевдозрідженому шарі режиму автотермічного парового риформінгу Утворені у цьому процесі гідроген і моноксид карбону повністю окиснюються до води і дюксиду карбону у верхній частині псевдозрідженого шару оксигеном, який вводиться через ЛІНІЮ 6 Газ, що виходить з риформера 4 через ЛІНІЮ 7, містить тонкі частинки, включаючи більшість радіонуклідів і нелеткі неорганічні матеріали, наприклад, кремнезем і кальцій, і газоподібні компоненти, наприклад, пару, дюксид карбону і газоподібні радіонукліди, зокрема, тритій, карбон-14 і йод Твердий залишок видаляється з риформера 4 декантацією псевдозріджувальними парою і газами Частинки у відхідному газі риформера видаляються з потоку цього газу високотемпературним фільтром або вологим скрубером 8 Якщо передбачено обробку лише графіту, високотемпературного фільтрування частинок цілком достатньо для видалення всіх нелетких радіонуклідів з ВІДХІДНОГО газу Якщо необхідно обробляти ІНШІ ПОТОКИ, використовується вологий скрубер Таблиця 1 містить перелік типових радіонуклідів, що знаходяться у графіті упровільнювача, і місць їх видалення 57884 Таблиця 1 Відділення типових радіонуклідів Радіонуклід Сурма Кальцій 4 1/45 Карбон 14 Церій 144 Цезій 134 Хлор 36 Кобальт 60 Гідроген Місце видалення Розчин скрубера Макрочасти нки ВІДХІДНИЙ газ Макрочастинки Розчин скрубера Розчин скрубера Макрочастинки Конденсат Вологий скрубер 8 очищує ВІДХІДНИЙ газ, видаляючи частинки, декантовані з риформера 4, і нейтралізує будь-які кислотні гази, якщо вони є Розчин скрубера концентрується гарячим ВІДХІДНИМ газом з риформера 4 до 1-20% вмісту (за масою) твердих компонентів рН розчину скрубера утримується в межах 5,0-7,0 для мінімізації абсорбції дюксиду карбону і видалення кислотних газів Розчин солі може бути спрямований через ЛІНІЮ 9 для обробки звичайними методами, наприклад, прямим видаленням (якщо дозволяє рівень радіоактивності), видаленням після селективного усунення радіоактивних ДОМІШКІВ, або ствердженням для одержання твердих ВІДХОДІВ Нерозчинні компоненти розчину скрубера можуть бути видалені фільтруванням Теплий насичений водою потік ВІДХІДНОГО газу залишає скрубер 8 через ЛІНІЮ 10 і може бути підданий подальшій обробці з видаленням, по суті, всіх водних парів у холодильнику 11 Водний конденсат, що виходить з холодильника 11 ЛІНІЄЮ 12 включає, по суті, весь тритій, що знаходився у графіті Цей конденсат з невеликою КІЛЬКІСТЮ тритію може бути оброблений у кілька способів Він може бути рециркульований, щоб компенсувати витрати води, або для одержання перегрітої пари для риформера У іншому варіанті він може бути видалений назовні у вигляді пари або використаний для цементування твердих радіоактивних ВІДХОДІВ Частина йоду з ВІДХІДНОГО газу також може бути винесена водою, що виходить з холодильника 11 ЛІНІЄЮ 13 Холодний сухий ВІДХІДНИЙ газ складається Радіонуклід Иод 29 Залізо 55 Манган 54 Нікель 59/63 Плутоній 239/240/241 Рутеній 106 Стронцій 90 Цинк 65 Місце видалення ВІДХІДНИЙ газ Макрочастинки Макрочастинки Макрочастинки Макрочастинки Макрочастинки Розчин скрубера Макрочастинки майже виключно з дюксиду карбону і невеликих кількостей оксигену і нітрогену Якщо це дозволено нормами, багатий на дюксид карбону ВІДХІДНИЙ газ фільтрується на фільтрі МЕРА у резервуарі 15, піддається безперервному нагляду у пристрої 15 і виводиться назовні через трубу 16 Якщо вимагають правила, дюксид карбону може бути відділений від ВІДХІДНОГО газу у холодильнику 18, що охолоджується СОг Водоабсорбер 17 слугує для видалення залишків води, які можуть порушити роботу сепаратора 18 СОг Концентрований дюксид карбону може бути відведений через ЛІНІЮ 20 для перетворення у твердий карбонат Залишок несконденсованих газів може бути спрямований ЛІНІЄЮ 19 до фільтра 14 МЕРА і після перевірки виведений через трубу 16 Остаточний невеликий потік ВІДХІДНОГО газу становить менше 5% потоку, що виходить з риформера Потік 20 концентрованого дюксиду карбону з холодильника може бути перетворений у тверду інертну карбонатну сполуку існуючими методами Наприклад, дюксид карбону може бути введений в реакцію з оксидом кальцію або магнію або металами з одержанням нерозчинних карбонатів магнію або кальцію Взаємодія дюксиду карбону з уламками паливного елемента MAGNOX була описана у кількох публікації (див , наприклад, F Н Passant, С Р Haigh, A S D Willis "CEGB dissolves Magnox fuel element debris at Dungeness", Nuclear Engineering International, Febr 1988, pp 48-51) Карбонат може бути перетворений у гранули або порошок і використаний для заповнення порожнин у контейнерах для радіоактивних ВІДХОДІВ 57884 Комп'ютерна верстка Е Ярославцева 10 Підписано до друку 05 08 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна